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“MPSI-fin” — 2013/7/22 — 9:45 — page 312 — #320
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CHAPITRE 6 – LE SOLIDE CRISTALLIN
Cette présentation de l’origine de la cohésion des solides est une vision simplifiée
(géométrique) où seule la distance entre atomes ou molécules semble fixer la valeur
de l’énergie potentielle du système. En réalité ceci est inexact, en particulier pour
les molécules car leur énergie d’interaction ne dépend pas seulement de la distance
mais également de leurs orientations relatives.
3.1 Unité et diversité des solides
La classification en quatre modèles structuraux est basée sur les propriétés macroscopiques
des solides, mais cette classification ne doit pas faire oublier que la cohésion trouve son origine dans une cause unique : le partage (ou la délocalisation) des électrons entre les différents
atomes qui constituent le solide, à l’instar de ce qui a été vu dans le cas des molécules. Les
différentes catégories de solides (métallique, ionique, covalent et moléculaire) se distinguent
selon :
• l’extension du partage des électrons entre l’ensemble des atomes du solide ;
• la modification de ce partage en passant à l’état liquide.
Ainsi, aux solides métalliques et covalents correspond une grande délocalisation des électrons sur l’ensemble des atomes (tous identiques) du solide. Cette délocalisation des électrons
est maintenue lors de la fusion dans le cas d’un métal (la conductibilité électrique demeure),
ce qui n’est pas le cas des solides covalents. Les différences de propriétés observées entre solides métalliques et covalents dépendent notamment de la structure électronique des atomes.
Par rapport aux solides métalliques , les solides ioniques se caractérisent par une différence
d’électronégativité entre les éléments qui constituent le cristal. Ceci conduit à une relocalisation des électrons sur les ions du cristal, soit une délocalisation plus réduite, ce que traduit
bien la faible conductivité des solides ioniques à l’état solide. Enfin, les solides moléculaires
se caractérisent par une faible délocalisation des électrons entre atomes du cristal ; la délocalisation reste limitée entre les atomes qui constituent la molécule, dont l’identité est maintenue
lors de la fusion.
3.2 Cristaux métalliques
Propriétés des cristaux métalliques
68 éléments du tableau périodique sur les 90 éléments naturels présentent dans les conditions usuelles (T = 298 K et P = 1 bar) des propriétés qui définissent l’état métallique. Ces
propriétés physico-chimiques sont de nature variée :
• mécanique : les métaux sont ductiles (aptitude au filage), malléables (aptitude à la déformation sans rupture) et tenaces (aptitude à résister mécaniquement aux déformations),
leur masse volumique est comprise entre 0,53.10 3 kg·m 3 (lithium) et 22,6.10 3 kg·m 3 (osmium) mais fréquemment élevée : 80 % des métaux ont une masse volumique supérieure
à 5.10 3 kg·m 3 , les moins denses étant les métaux alcalins et alcalino-terreux (voir table
6.2) ;
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CHAPITRE 6 – LE SOLIDE CRISTALLIN
Cette présentation de l’origine de la cohésion des solides est une vision simplifiée
(géométrique) où seule la distance entre atomes ou molécules semble fixer la valeur
de l’énergie potentielle du système. En réalité ceci est inexact, en particulier pour
les molécules car leur énergie d’interaction ne dépend pas seulement de la distance
mais également de leurs orientations relatives.
3.1 Unité et diversité des solides
La classification en quatre modèles structuraux est basée sur les propriétés macroscopiques
des solides, mais cette classification ne doit pas faire oublier que la cohésion trouve son origine dans une cause unique : le partage (ou la délocalisation) des électrons entre les différents
atomes qui constituent le solide, à l’instar de ce qui a été vu dans le cas des molécules. Les
différentes catégories de solides (métallique, ionique, covalent et moléculaire) se distinguent
selon :
• l’extension du partage des électrons entre l’ensemble des atomes du solide ;
• la modification de ce partage en passant à l’état liquide.
Ainsi, aux solides métalliques et covalents correspond une grande délocalisation des électrons sur l’ensemble des atomes (tous identiques) du solide. Cette délocalisation des électrons
est maintenue lors de la fusion dans le cas d’un métal (la conductibilité électrique demeure),
ce qui n’est pas le cas des solides covalents. Les différences de propriétés observées entre solides métalliques et covalents dépendent notamment de la structure électronique des atomes.
Par rapport aux solides métalliques , les solides ioniques se caractérisent par une différence
d’électronégativité entre les éléments qui constituent le cristal. Ceci conduit à une relocalisation des électrons sur les ions du cristal, soit une délocalisation plus réduite, ce que traduit
bien la faible conductivité des solides ioniques à l’état solide. Enfin, les solides moléculaires
se caractérisent par une faible délocalisation des électrons entre atomes du cristal ; la délocalisation reste limitée entre les atomes qui constituent la molécule, dont l’identité est maintenue
lors de la fusion.
3.2 Cristaux métalliques
Propriétés des cristaux métalliques
68 éléments du tableau périodique sur les 90 éléments naturels présentent dans les conditions usuelles (T = 298 K et P = 1 bar) des propriétés qui définissent l’état métallique. Ces
propriétés physico-chimiques sont de nature variée :
• mécanique : les métaux sont ductiles (aptitude au filage), malléables (aptitude à la déformation sans rupture) et tenaces (aptitude à résister mécaniquement aux déformations),
leur masse volumique est comprise entre 0,53.10 3 kg·m 3 (lithium) et 22,6.10 3 kg·m 3 (osmium) mais fréquemment élevée : 80 % des métaux ont une masse volumique supérieure
à 5.10 3 kg·m 3 , les moins denses étant les métaux alcalins et alcalino-terreux (voir table
6.2) ;
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